（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621999）

飛行速度快、滯空時(shí)間長(zhǎng)、高機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的飛行器具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值和重大戰(zhàn)略意義，已成為21世紀(jì)以來(lái)世界各主要航空航天大國(guó)的研究熱點(diǎn)[1-3]。隨著飛行器飛行速度設(shè)計(jì)值的大幅度提高，由氣動(dòng)熱引起的高溫?zé)岘h(huán)境變得越來(lái)越嚴(yán)酷[4-6]。當(dāng)飛行器快速飛行時(shí)，駐點(diǎn)溫度急劇升高。同時(shí)，飛行過(guò)程中會(huì)面臨因殼體外表面高速繞流流場(chǎng)誘導(dǎo)的振動(dòng)、過(guò)載和噪聲等復(fù)雜力環(huán)境。熱-離心復(fù)合環(huán)境會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一系列不利影響[7-16]，如：1）高溫環(huán)境下材料的彈性模量和強(qiáng)度極限下降，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力下降；2）快溫變會(huì)形成較大的溫度梯度，產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力與力載荷所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力相疊加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降，造成結(jié)構(gòu)局部或總體的失效；3）在高溫、熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的共同作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大變形，破壞其氣動(dòng)外形，高溫又使結(jié)構(gòu)剛度下降，影響其振動(dòng)傳遞特性，在幾種因素的共同作用下，會(huì)降低結(jié)構(gòu)的固有頻率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生顫振，甚至出現(xiàn)更加危險(xiǎn)的共振現(xiàn)象，即所謂的氣動(dòng)熱彈性問(wèn)題；4）飛行器上的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)受高溫作用，產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，會(huì)影響機(jī)械正常動(dòng)作，甚至因機(jī)件卡塞而導(dǎo)致飛行事故；5）彈（箭）儀器艙內(nèi)儀器設(shè)備正常的工作環(huán)境溫度一般不應(yīng)超過(guò)50 ℃，當(dāng)艙體外表面受到氣動(dòng)加熱時(shí)，艙壁溫度急劇升高，將會(huì)使艙內(nèi)溫度越限，造成元器件性能惡化甚至失效，產(chǎn)生危險(xiǎn)的后果。

美國(guó)在20 世紀(jì)就建有一系列用于飛行器的瞬態(tài)高溫?zé)峒虞d試驗(yàn)設(shè)備，20 世紀(jì)末又建立了加熱功率超過(guò)30 MW/m2的試驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備可用于檢測(cè)飛行器及其他相關(guān)試件在高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，測(cè)試試件的尺寸半徑可以達(dá)到2 m[17]。此外，歐洲航空局、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家均具有離心設(shè)備或加熱設(shè)備。由于技術(shù)封鎖原因，并未見國(guó)外相關(guān)高溫-離心試驗(yàn)的報(bào)道[18-19]。國(guó)內(nèi)北京強(qiáng)度與環(huán)境研究所建立高溫-離心綜合試驗(yàn)設(shè)備，但最高溫度只到500 ℃[20]。

文中介紹了高溫、非線性及瞬態(tài)高溫?zé)峒虞d系統(tǒng)和適用于高過(guò)載環(huán)境下高強(qiáng)度石英燈設(shè)計(jì)、夾具優(yōu)化和試驗(yàn)驗(yàn)證。尤其是試驗(yàn)件溫度可達(dá)600 ℃，可承受最大80g離心載荷石英燈的成功研制，拓展了瞬態(tài)熱-力復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

1 氣動(dòng)熱模擬載荷實(shí)現(xiàn)

氣動(dòng)加熱是空氣與飛行器表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)所發(fā)生的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱，以傳導(dǎo)和輻射加熱方式為手段的地面模擬試驗(yàn)，雖然從換熱原理上講有本質(zhì)區(qū)別，但從研究結(jié)構(gòu)特性的試驗(yàn)?zāi)康某霭l(fā)，可以真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)表面吸收的熱能，建立起兩者之間的等效關(guān)系。

石英燈加熱具有單位面積熱流密度大、熱慣性小、易組裝和可分區(qū)控制等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜诟咚亠w行器結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)、氣動(dòng)熱試驗(yàn)和熱-力（熱-振動(dòng)、熱-模態(tài)和熱-離心）復(fù)合試驗(yàn)中。針對(duì)典型試驗(yàn)件，通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算和演示試驗(yàn)，建立了瞬態(tài)加熱系統(tǒng)，如圖1 所示。該系統(tǒng)石英燈管為雙燈管設(shè)計(jì)，單支功率高達(dá)20 kW，功率密度為29 W/mm。

圖1 高溫?zé)峒虞d系統(tǒng)Fig.1 transient heating system:a) flat heating system;b) cone heating system

2 高過(guò)載環(huán)境下石英燈設(shè)計(jì)

普通石英燈燈管的單燈管和加熱器件（主要是加熱鎢絲）無(wú)法承受80g離心載荷的過(guò)載。在80g離心環(huán)境下會(huì)發(fā)生擠壓變形（加速度方向?yàn)檩S向），如圖2 所示。該燈管功率密度僅為5 W/mm，加熱試驗(yàn)件時(shí)溫升速率較低，不能達(dá)到快速升溫的目的。

為滿足功率密度要求，將單燈管改為雙燈管，功率密度可達(dá)15～20 W/mm，滿功率輸出時(shí)，試驗(yàn)件溫升速率可達(dá)到100 ℃/s 。雙燈管石英玻璃和鎢絲均經(jīng)過(guò)強(qiáng)化設(shè)計(jì)，但試驗(yàn)表明，未通電情況下該設(shè)計(jì)軸向亦不能承受80g離心載荷（燈管和燈絲均不能承受）。試驗(yàn)后分析情況表明，除鎢絲和石英玻璃外，燈管出線孔陶瓷和石英玻璃連接處亦為燈管薄弱環(huán)節(jié)，如圖3 所示。

為避免高過(guò)載環(huán)境下石英燈被拉斷，同時(shí)經(jīng)過(guò)理論分析和數(shù)值仿真認(rèn)為，離心場(chǎng)下石英燈徑向受力優(yōu)于軸向，因此后續(xù)試驗(yàn)離心場(chǎng)下使用石英燈采用徑向加載，且從以下幾個(gè)方面解決遇到的技術(shù)難題。

圖2 軸向80g 離心力作用下燈絲嚴(yán)重變形Fig.2 Serious deformation of quartz lamp filament caused by an overload of 80g in the axial direction

圖3 80g 軸向離心載荷下燈絲斷裂Fig.3 The breakup of quartz lamp filament caused by an overload of 80g in axial direction

1）GB 4654—2008《非金屬基體紅外輻射加熱器通用技術(shù)條件》中規(guī)定，石英燈管圓柱形管身和壓封板位置能承受50 N 的力即為合格。在高過(guò)載環(huán)境下，此處受力大于800 N，從而導(dǎo)致破裂或剪斷。為解決該問(wèn)題，首先將石英燈管玻璃壁厚由1.8 mm 增大至2.2 mm；其次選用剛性更好的進(jìn)口石英玻璃管，改進(jìn)生產(chǎn)固化工藝，使該連接位置強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。

2）試驗(yàn)表明，燈管在壓封板、排氣口和圓柱管身交接部位等3 個(gè)位置容易被剪斷。數(shù)值計(jì)算分析表明，上述幾個(gè)位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。生產(chǎn)加工過(guò)程中采用退火等辦法消去應(yīng)力集中點(diǎn)過(guò)高的應(yīng)力，以避免試驗(yàn)過(guò)程中燈管在這3 個(gè)位置出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。

3）普通石英燈管僅兩端支撐，中間懸空，高過(guò)載環(huán)境下，燈絲易被拉斷或貼合至管壁，造成短路。為了避免燈絲僅兩端承受來(lái)自燈管軸向的拉伸之力，設(shè)計(jì)時(shí)燈絲采用螺旋結(jié)構(gòu)，并對(duì)燈管內(nèi)支撐燈絲的支架圈部位進(jìn)行處理，即帶凹槽的燈壁設(shè)計(jì)。

4）燈管功率大，直徑粗，質(zhì)量大，高過(guò)載環(huán)境下支架圈易坍塌和在管內(nèi)發(fā)生移動(dòng)而拉斷的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)制做支架圈的設(shè)備進(jìn)行改裝，以擴(kuò)大支架圈的直徑，使之與適應(yīng)管壁更好地貼合在一起。

解決上述問(wèn)題后，經(jīng)過(guò)多次設(shè)計(jì)、試驗(yàn)迭代，最終生產(chǎn)出滿足徑向80g離心載荷下帶電工作的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間要求的石英燈管，該石英燈管密度約20 W/mm。燈管實(shí)物如圖4 所示。

3 高過(guò)載高溫環(huán)境下夾具優(yōu)化設(shè)計(jì)

石英燈燈管由石英玻璃在高溫環(huán)境下拉制而成，發(fā)熱元件由鎢絲構(gòu)成，出線口位置由陶瓷和石英玻璃粘接固定。在80g離心載荷下，其承受的力為正常環(huán)境下的80 倍，若夾具設(shè)計(jì)不當(dāng)?？赡茉斐晒ぷ鳡顟B(tài)下石英燈管破裂、鎢絲短路，進(jìn)而可能造成離心機(jī)集流環(huán)燒毀，對(duì)其造成嚴(yán)重?fù)p害。同時(shí)夾具設(shè)計(jì)要考慮隔熱功能，避免試驗(yàn)時(shí)溫度過(guò)高，造成離心機(jī)不能正常工作。

為滿足上述要求，設(shè)計(jì)了如圖5 所示的高過(guò)載高溫環(huán)境下使用夾具。石英燈底支承環(huán)與加熱筒內(nèi)壁連接，石英燈與石英燈底支承環(huán)連接，石英燈底壓板與石英燈連接。石英燈越短，能承受的過(guò)載越大。由于石英燈較短，又要實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)件各部分均勻加熱，就須將石英燈沿?zé)艄茌S向方向錯(cuò)開布置。為了給試驗(yàn)件施加沿?zé)艄茌S向方向的加速度載荷，石英燈底支承環(huán)和石英燈底壓板須設(shè)計(jì)成帶止口的形式，如圖6 所示。通過(guò)數(shù)值計(jì)算和預(yù)試驗(yàn)，該加熱裝置可承受最高離心載荷80g、最高溫度600 ℃的高過(guò)載及高溫試驗(yàn)考核。

圖5 大過(guò)載、瞬態(tài)高溫?zé)?加速度復(fù)合試驗(yàn)裝置內(nèi)部構(gòu)型Fig.5 Internal structure of transient heating and overload testing device

圖6 高溫-離心環(huán)境試驗(yàn)夾具止口設(shè)計(jì)Fig.6 The design of seam allowance of heating and overload testing device

4 高過(guò)載環(huán)境下熱加載試驗(yàn)驗(yàn)證

為保證離心環(huán)境下溫度場(chǎng)的均勻性和更真實(shí)模擬高過(guò)載及高溫環(huán)境，熱加載系統(tǒng)和離心機(jī)需進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，即加速度和溫度同時(shí)達(dá)到目標(biāo)值。為此設(shè)計(jì)了瞬態(tài)熱-離心復(fù)合試驗(yàn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，如圖7 所示。加速度的控制（即離心機(jī)的轉(zhuǎn)速控制）相對(duì)簡(jiǎn)單且獨(dú)立（不受溫度影響），因此，只要溫度能跟隨實(shí)測(cè)的加速度，就可以實(shí)現(xiàn)溫度和加速度的同步控制。瞬態(tài)高溫?zé)?離心試驗(yàn)控制系統(tǒng)可同步控制離心機(jī)轉(zhuǎn)速和熱加載平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)加速度與試件表面溫度的同步加載，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)常溫～600 ℃，加速度最大為80g，試驗(yàn)保載1 min，溫度控制允差5%以內(nèi)的目標(biāo)。

圖7 瞬態(tài)高溫-加速度同步控制系統(tǒng)Fig.7 The synchronous control system of transient heating and overload

本次驗(yàn)證試驗(yàn)采用的離心機(jī)的主要指標(biāo)如下：最大負(fù)載為4 t；最大加速度為200g；容量為200g·t；半徑為7 m；調(diào)速范圍為0～159 r/min。該離心機(jī)可實(shí)現(xiàn)慣性載荷與溫度、慣性載荷與氣動(dòng)力載荷的復(fù)合協(xié)調(diào)加載。

為實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)高溫與離心力載荷的協(xié)調(diào)加載，針對(duì)典型試驗(yàn)件（尺寸如圖8 所示，其主要材料為304 不銹鋼），設(shè)計(jì)了高過(guò)載高溫環(huán)境試驗(yàn)。該次試驗(yàn)程序?yàn)椋和瑫r(shí)啟動(dòng)離心機(jī)加載和燈陣加熱系統(tǒng)，當(dāng)離心機(jī)加載載荷達(dá)到80g時(shí)，要求被加熱試驗(yàn)件表面達(dá)到600 ℃。同時(shí)要求在過(guò)載80g狀態(tài)和600 ℃環(huán)境下保持1 min，期間溫度控制允差在±5%以內(nèi)。

圖9a 為石英燈在離心機(jī)加載過(guò)程中保持正常工作，圖9b 為石英燈經(jīng)歷過(guò)載80g載荷后的狀態(tài)，石英燈管玻璃保持完好，燈絲基本完好，但仍能正常工作。其中開展的試驗(yàn)驗(yàn)證的溫度-加速度加載曲線如圖10 所示。對(duì)曲線進(jìn)行分析可知，溫度加載和加速度加載基本達(dá)到了協(xié)調(diào)一致，試件表面溫度在保載階段溫度最大偏差為-9.3 ℃，遠(yuǎn)優(yōu)于誤差控制精度5%。其中受限于集流環(huán)可承受的最大電流限制，試驗(yàn)件表面最大溫升速率達(dá)到87 ℃/s 。若集流環(huán)承載功率能進(jìn)一步增大，試驗(yàn)件溫升速率還有提升空間。

圖8 典型試驗(yàn)件尺寸Fig.8 the size of the test article

圖9 離心機(jī)上工作狀態(tài)石英燈Fig.9 a) The quartz lamps that work noramlly on the centrifuge;b) the quartz lamp subject to an load of 80g

圖10 80g 離心狀態(tài)下溫度加載曲線Fig.10 The curve of temperature under centrifugal condition with an overload of 80g

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)高過(guò)載離心環(huán)境下石英燈設(shè)計(jì)、夾具優(yōu)化、熱力載荷協(xié)調(diào)加載技術(shù)研究，開展了典型試驗(yàn)件熱-離心復(fù)合試驗(yàn)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得了可承載80g離心載荷，功率密度為20 W/mm，可將試驗(yàn)件加熱至最高溫度超過(guò)600 ℃的石英燈。優(yōu)化了夾具夾持和隔熱性能，使之能承受試驗(yàn)時(shí)的高溫及高過(guò)載環(huán)境，掌握了加速度-溫度協(xié)調(diào)加載控制技術(shù)。在離心機(jī)上實(shí)現(xiàn)了600 ℃、80g高溫-離心復(fù)合試驗(yàn)，最大溫升速率高達(dá)87 ℃/s 。